壓源40確定。應(yīng)當(dāng)注意，像素電路102和104中的電流整流電路30可以比運算放大器生成更少的電子噪聲。
[0022]如先前所陳述的，漏電流限制了因為常規(guī)像素電路可以耗盡存儲在光電二極管上的初始偏置電荷，所以它以圖像積分模式保持的時間長度。漏電流還產(chǎn)生限制了常規(guī)像素電路的低信號檢測能力的散粒噪聲。根據(jù)本公開的一些實施例，偏置電路10中的電壓源40被配置成提供偏置電壓0V，以使不能在光電二極管ro中生成漏電流。因此，除了提供更好的線性度之外，具有零偏置的光電二極管的像素電路101，102，103和104可以具有長的操作時間和低的散粒噪聲。
[0023 ]在圖1，圖2，圖3和圖4所圖示的示例實施例中，偏置電路1被配置成在圖像采集周期期間以第一模式操作并且在讀出周期期間和重置周期期間以第二模式操作。偏置電路10可以基于偏置信號BIAS在第一模式和第二模式之間切換。在第一模式中，偏置電路10的內(nèi)部偏置電流被調(diào)制到足以從光電二極管PD中排出電荷并且維持光電二極管PD兩端的恒定偏置電壓的最小值。在第二模式中，偏置電路10的內(nèi)部偏置電流被調(diào)制到用于降低噪聲并且提供足夠的驅(qū)動強度以向數(shù)據(jù)線以良好的完整性發(fā)送輸出電壓Vo的更高的值(高達100倍的其最小值)。因此，可以通過調(diào)制偏置電路10的內(nèi)部偏置電流來減少功耗，特別是當(dāng)像素電路101，102，103和104在具有高像素計數(shù)的有源/無源單片成像系統(tǒng)中實現(xiàn)。
[0024]在如圖3和圖4所圖示的示例實施例中，每個像素電路103和104還包括增益切換電路50和電荷-電壓轉(zhuǎn)換器C2。增益切換電路50包括電壓比較器52和選擇電路，該選擇電路具有鎖存器54和開關(guān)SW3和SW4。電壓比較器52被配置成根據(jù)輸出電壓Vo和閾值電壓Vth之間的差來生成選擇信號Vs。鎖存器54被配置成生成與選擇信號Vs的邏輯電平相關(guān)聯(lián)的鎖存信號Va。增益比電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl的增益更高的電荷-電壓轉(zhuǎn)換器C2基于鎖存信號Va經(jīng)由開關(guān)SW3與電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl平行地耦合。電荷-電壓轉(zhuǎn)換器C2可以是但不限于線性平行板電容器或具有類似功能的另一類型的設(shè)備。
[0025]如果使像素電路103或104的總電荷-電壓轉(zhuǎn)換比例盡可能小以實現(xiàn)最佳的信噪比，則可能降低可以被處理的信號電荷的數(shù)量。根據(jù)本公開的至少一些實施例，電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl的增益可能被選擇為盡可能小以提供盡可能高的轉(zhuǎn)換效率，而電荷-電壓轉(zhuǎn)換器C2的增益可以被選擇為顯著比電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl的增益大(通常，4或16倍更大)來處理更大數(shù)量的信號電荷。在每一幀開始時，選擇電路中的開關(guān)SW3被斷開(開路)，并且像素電路103或104的總電荷-電壓轉(zhuǎn)換比例因此單獨由電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl的增益確定。在這樣的情形下，像素電路103或104可以提高電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率和信噪比。
[0026]如先前所陳述的，由電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl提供的輸出電壓Vo與由光電二極管PD生成的并且從光電二極管ro排出的電荷成比例，并且由電壓比較器52提供的選擇信號Vs與輸出電壓Vo和閾值電壓Vth之間的差成比例。如果光電二極管ro被暴露于光或輻射水平，則在電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl中累積的電荷可以產(chǎn)生不超過閾值電壓Vth的輸出電壓Vo。在這一刻，由電壓比較器52生成的選擇信號Vs處于低邏輯電平，并且由選擇電路中的鎖存器54所生成的對應(yīng)的鎖存信號Va保持開關(guān)SW3處于“斷開”狀態(tài)。因此，像素電路103或104的總電荷-電壓轉(zhuǎn)換比例仍然單獨由電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl的增益確定，從而提高了電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率和信噪比。
[0027]如果光電二極管PD被暴露于高水平的光或輻射，則在電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl中累積的電荷可以足夠大，以使輸出電壓Vo迅速增加直至超過閾值電壓Vth為止。在該條件下，由電壓比較器52生成的選擇信號Vs處于高邏輯電平，并且由選擇電路中的鎖存器54所生成的對應(yīng)的鎖存信號Va接通(短路)開關(guān)SW3，從而允許電荷-電壓轉(zhuǎn)換器C2與電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl平行地耦合。因此，像素電路103或104的總電荷-電壓轉(zhuǎn)換比例現(xiàn)在可以由電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl的增益和電荷-電壓轉(zhuǎn)換器C2的增益兩者確定，從而允許像素電路103或104積分更大數(shù)量的信號電荷。
[0028]這樣，圖像中的暗區(qū)域(低水平的光或輻射)可以用高增益和低附加噪聲捕獲，而明亮區(qū)域(高水平的光或輻射)用高信號容量捕獲。以低增益捕獲的像素數(shù)據(jù)可以由鎖存輸出標記為增益比特值GB，其與輸出電壓Vo平行被多路復(fù)用出(通過控制開關(guān)SWl和SW4)。隨后的圖像處理計算機(未示出)可以然后數(shù)字地將用于該像素的代表數(shù)字值乘以用于該像素的所校準的增益比，以恢復(fù)用于所有像素的線性信號值，但動態(tài)范圍可能比現(xiàn)有技術(shù)的像素電路中的固定增益設(shè)計更大。
[0029]圖5是根據(jù)本公開的至少一些實施例的用圖1的像素電路101實現(xiàn)的成像系統(tǒng)500的示意圖。成像系統(tǒng)500可以被布置為MXN像素成像器陣列，其中，M和N是正整數(shù)。圖5描繪了出于說明性目的當(dāng)M = N=3時的實施例。盡管像素電路101用于說明，但是每個像素電路102，103和104還可以以相同的方式在成像系統(tǒng)中實現(xiàn)。
[0030]成像系統(tǒng)500還包括行控制電路510和列讀取電路520。行控制電路510被配置成生成控制信號用于操作對應(yīng)的像素電路101，包括偏置信號BIASl，BIAS2和BIAS3，選擇信號SELECT!，SELECT2和SELECT3，以及重置信號RESETl，RESET2和RESET3。偏置信號BIASl，BIAS2和BIAS3用于分別調(diào)制像素電路101的第一，第二和第三行中運算放大器20的偏置電流。選擇信號SELECT1，SELECT2和SELECT3用于分別接通像素電路101的第一，第二和第三行中的開關(guān)SWl，以使對應(yīng)的行的輸出信號Vo可以被傳送到列讀出電路520。重置信號RESETl，RESET2和RESET3用來分別接通像素電路101的第一，第二和第三行中的開關(guān)SW2，以便清除累積在對應(yīng)行的電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl中的電荷用于下一圖像獲取。
[0031]列讀出電路520包括第一視頻處理電路、第二視頻處理電路、多個信號數(shù)據(jù)線DLA1，DLA2和DLA3、以及多個重置數(shù)據(jù)線DLB1，DLB2和DLB3。第一視頻處理電路包括視頻處理單元Al，A2和A3，每個被配置成處理經(jīng)由對應(yīng)的信號數(shù)據(jù)線從對應(yīng)列的像素電路101接收的輸出電壓Vo。第二視頻處理電路包括視頻處理單元BI，B2和B3，每個被配置成處理經(jīng)由對應(yīng)的重置數(shù)據(jù)線從對應(yīng)列的像素電路101接收的輸出電壓Vo。在成像系統(tǒng)500中，提供了用于對應(yīng)列的像素電路101的兩個視頻處理電路和兩條數(shù)據(jù)線。例如，當(dāng)像素電路101的第一行中的開關(guān)SWl由選擇信號SELECT1接通時，處理單元Al可以通過經(jīng)由信號數(shù)據(jù)線DLm鎖存輸出電壓Vo來獲取信號樣本，并且處理單元BI可以通過經(jīng)由重置數(shù)據(jù)線DLb1鎖存輸出電壓Vo來獲取重置樣本。
[0032]在一些實施例中，在完成圖像積分時，存儲在每個像素電路上的信號可以通過矩陣數(shù)據(jù)線和列讀出電路520讀出以形成光柵視頻信號VIDEO。順序地，通常在矩陣逐行的基礎(chǔ)上，該行的像素內(nèi)運算放大器20可以基于對應(yīng)的偏置信號用升高的偏置電流進行操作，并且該行的開關(guān)SWl可能由對應(yīng)的選擇信號接通。因此，該行中的運算放大器20的輸出端可以通過矩陣數(shù)據(jù)線被連接至列讀出電路520。緊接在從每個數(shù)據(jù)線捕獲信號樣本之后，用于該行的重置信號可以被激活以清除所積累的信號電荷并且為下一個圖像積分階段準備像素電路。
[0033]圖6是圖示了根據(jù)本公開的至少一些實施例的圖5的成像系統(tǒng)500的操作的時序圖。當(dāng)選擇信號SELECT1，SELECT2和SELECT3有效(由圖6中的高級別表示)時，接通開關(guān)SWl，以允許列讀出電路520從對應(yīng)的像素電路中獲取信號樣本和重置樣本。在一些實施例中，在對應(yīng)的重置信號變?yōu)闊o效之前和之后，用于每行的選擇信號可以保持有效足夠的時間，以允許視頻處理電路Al，A2和A3在重置電荷-電壓轉(zhuǎn)換器Cl之前從對應(yīng)的像素電路中獲取信號樣本，并且以允許視頻處理電路B1，